鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響研究*

李 磊, 李 芾, 丁軍君, 梁駿宇

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

綜合技術(shù)研究

鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響研究*

李 磊, 李 芾, 丁軍君, 梁駿宇

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 四川成都 610031)

減小輪軌磨耗是提高輪軌使用壽命、降低運(yùn)營成本的有效方法，而輪軌摩擦系數(shù)是影響輪軌磨耗的重要因素。在SIMPACK軟件中建立C80多體動(dòng)力學(xué)車輛模型，利用計(jì)算機(jī)仿真研究方法對輪軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在直線區(qū)段不建議采用輪軌潤滑作業(yè)，而在曲線區(qū)段建議采用軌頂、軌側(cè)綜合摩擦系數(shù)控制方法進(jìn)行涂敷作業(yè)，且軌頂、軌側(cè)適當(dāng)摩擦系數(shù)配比的異步潤滑模式具有較好的輪軌減磨效果。

輪軌磨耗； 摩擦控制； 輪軌潤滑

在鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)中，鋼軌和車輪的使用壽命與維修周期主要由輪軌磨耗和輪軌接觸疲勞決定，輪軌磨耗問題是發(fā)展重載貨運(yùn)亟待解決的問題。減少輪軌磨耗的主要途徑有以下3方面：(1)輪軌材質(zhì)合理匹配(2)車輛參數(shù)與線路參數(shù)合理匹配(3)輪軌潤滑，進(jìn)行輪軌摩擦控制。

國內(nèi)外研究表明，輪軌潤滑和軌面摩擦控制是減緩輪軌磨耗的有效措施[1]，能夠有效減少輪緣及軌側(cè)的磨損以延長鋼軌壽命。美國鐵路協(xié)會(huì)在FAST環(huán)線上試驗(yàn)結(jié)果也表明，輪軌潤滑減磨效果可達(dá)2—10倍[2]。我國大秦鐵路和部分鐵路局已經(jīng)開始輪軌潤滑技術(shù)的運(yùn)用與研究，輪軌潤滑取得了良好的減磨效果[3]；但輪軌潤滑作業(yè)中涂覆需要進(jìn)行嚴(yán)格控制，否則反而會(huì)加劇輪軌磨耗問題[4]。我國鐵路工務(wù)部門一般采用軌距角處涂覆的方式，降低輪緣與軌距角處的摩擦系數(shù)來降低輪軌磨耗，為了不影響列車黏著牽引力的正常發(fā)揮，對鋼軌軌頂不采取潤滑措施。近年來，國外學(xué)者提出了軌頂摩擦控制的管理理念，期望將輪軌摩擦系數(shù)保持在較為理想的水平，以減緩輪軌傷損的萌生和發(fā)展[5-6]。國內(nèi)也有學(xué)者針對軌側(cè)、軌頂綜合摩擦控制對于曲線通過性能的影響加以研究，得出綜合摩擦控制可以獲得良好的曲線通過性能，減小了接觸斑處的磨耗速率[7],以上的研究中并沒有系統(tǒng)的分析鋼軌綜合摩擦控制對于輪軌磨耗的影響，故本文就如何進(jìn)行科學(xué)合理的綜合摩擦控制進(jìn)行研究。

1 輪軌磨耗評定指標(biāo)

鑒于輪軌磨耗機(jī)理復(fù)雜，各國鐵路線路條件，列車運(yùn)營條件的差異性大，目前國內(nèi)外都沒有統(tǒng)一公認(rèn)的輪軌磨耗評定指標(biāo)[8]。以下是幾種常見的輪軌磨耗評價(jià)指標(biāo)：

(1) Heumann磨耗指數(shù)

Heumann磨耗指數(shù)是用摩擦中心法評估輪軌磨耗率的指標(biāo)，即WH=μFfα其中Ff是輪軌摩擦系數(shù)，F(xiàn)f是輪緣力即輪軌摩擦力和法向力在輪軌橫向投影的代數(shù)和；α是輪軌沖角。

該模型未考慮輪軌側(cè)向接觸點(diǎn)的具體位置，不能反映出不同輪軌廓型對磨耗的影響，當(dāng)α=0時(shí)該式就不能使用。

(2) Elkins磨耗指數(shù)

即式中Tx,Ty分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力；?x,?y分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑率。Elkins磨耗指數(shù)是英國鐵路在非線性曲線通過研究的基礎(chǔ)上，通過輪軌接觸面上能量耗散理論分析和試驗(yàn)測定所提出的磨耗指數(shù)的一種，英國Deby研究中心和美國ARR試驗(yàn)中心在大量試驗(yàn)后，均證實(shí)該磨耗指數(shù)可以較為準(zhǔn)確的反映磨耗規(guī)律[9]。

(3) 磨耗功

磨耗功也稱磨耗功率，是指單位時(shí)間或行走里程車輪踏面和鋼軌頂面之間的磨耗程度，即

其μ是輪軌接觸面的摩擦系數(shù);TxTy分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑力；?x?y分別為輪軌接觸斑處的縱向和橫向蠕滑率；A為接觸斑的面積；μ/0.6是對Kalker蠕滑系數(shù)的修正。

輪軌磨耗功主要體現(xiàn)輪軌間蠕滑程度的大小，反映出車輪踏面和鋼軌軌頂面的磨耗。

(4) 輪軌橫向力和沖角

通過潤滑降低輪軌摩擦系數(shù)能夠有效的降低磨耗功，這對降低輪軌磨耗非常有利，但是當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)降低到一定數(shù)值后反而會(huì)使得輪軌橫向力、輪軌沖角增大，而這就對降低輪軌磨耗不利。因此輪軌沖角和輪軌橫向力也是重要的衡量輪軌磨耗的指標(biāo)之一。

本文選取Elkins磨耗指數(shù)和磨耗功作為輪軌磨耗的評定指標(biāo)，同時(shí)需要綜合考慮輪軌橫向力和輪軌沖角兩個(gè)參量對輪軌磨耗的影響。

2 輪軌潤滑模式

在輪軌系統(tǒng)運(yùn)行過程中，輪軌接觸點(diǎn)位置隨運(yùn)行過程而實(shí)時(shí)發(fā)生變化；輪軌接觸軌跡線如圖1所示，輪軌接觸有一點(diǎn)接觸和兩點(diǎn)接觸兩種工況，通常情況下，車輪與鋼軌僅發(fā)生一點(diǎn)接觸，輪軌磨耗主要發(fā)生在車輪踏面和軌頂面之間；在發(fā)生輪緣貼靠時(shí)，就有可能出現(xiàn)兩點(diǎn)接觸的現(xiàn)象，此時(shí)輪緣與軌側(cè)也會(huì)發(fā)生磨耗。因此在進(jìn)行輪軌潤滑時(shí)必須要考慮軌頂?shù)哪Σ料禂?shù)控制。

圖1 輪軌接觸軌跡線

按照輪軌潤滑時(shí)，鋼軌軌頂、軌側(cè)的摩擦系數(shù)設(shè)置情況，在本研究中將輪軌潤滑分為軌頂、軌側(cè)同步潤滑模式和異步潤滑模式。同步潤滑，即使用同種潤滑劑對軌頂面、軌側(cè)面同時(shí)均勻涂覆，保證軌頂、軌側(cè)具有一致的摩擦系數(shù)，如圖2所示。

圖2 同步潤滑模式摩擦系數(shù)分布

而異步潤滑模式，即軌頂面和軌側(cè)面具備不同的摩擦系數(shù)，如圖3所示，圖中軌頂摩擦系數(shù)為0.4，軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.1，考慮實(shí)際潤滑作業(yè)時(shí)并無絕對分界線，且為了避免在計(jì)算機(jī)積分時(shí)出現(xiàn)奇異，輪緣和踏面分界線附近設(shè)置了5 mm寬的摩擦系數(shù)線性過渡區(qū)；該潤滑模式也包括了軌側(cè)摩擦系數(shù)控制(圖3)、軌頂摩擦系數(shù)控制兩種特殊工況；而同步潤滑和異步潤滑結(jié)合起來就稱之為綜合摩擦控制。

圖3 異步潤滑模式摩擦系數(shù)分布(μT=0.4，μs=0.1)

3 計(jì)算機(jī)仿真模型及計(jì)算結(jié)果

3.1 多體動(dòng)力學(xué)模型

運(yùn)用SIMPACK多體動(dòng)力學(xué)軟件，建立重載鐵路運(yùn)輸常用的C80運(yùn)煤敞車仿真模型，如圖4所示。建模中貨車被視作剛體、多自由度的系統(tǒng)。貨車模型采用鑄鋼3大件式ZK6型轉(zhuǎn)向架，并通過軟件前處理功能，導(dǎo)入LM型車輪踏面和國內(nèi)60 kg/m的鋼軌，為了最大程度模擬實(shí)際運(yùn)營中的磨耗效應(yīng)，采用重車模型，其滿載時(shí)車重為90.3 t。

圖4 C80貨車多體動(dòng)力學(xué)模型

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 直線鋼軌潤滑方式研究

直線區(qū)段選取的線路參數(shù)：軌道長度為1 000 m,軌底坡為1∶40，在50～1 000 m區(qū)段添加軌道激擾，所選取的軌道激擾為美國五級軌道不平順譜,車輛運(yùn)行速度為80 km/h。與此同時(shí)在直線區(qū)段分別采用同步潤滑模式和異步潤滑模式進(jìn)行仿真研究。

(1) 同步潤滑模式

直線區(qū)段進(jìn)行同步潤滑的仿真結(jié)果如表1所示。隨著輪軌摩擦系數(shù)的增大，各評價(jià)指標(biāo)隨之變化，但沒有顯著的相關(guān)關(guān)系；當(dāng)輪軌摩擦系數(shù)介于0.2至0.5之間時(shí)，五項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)值基本保持在穩(wěn)定范圍內(nèi)；而當(dāng)摩擦系數(shù)為0.1時(shí)，輪對沖角、輪軌橫向力、輪軌磨耗功、愛因斯磨耗指數(shù)數(shù)值均為最小，同時(shí)具有較低的脫軌系數(shù)，即在該工況下輪軌磨耗量顯著降低，但為保證直線線路上正常發(fā)揮黏著牽引力，不建議采用該種輪軌潤滑方式。

表1 直線區(qū)段不同摩擦系數(shù)條件下的評定指標(biāo)

(2) 異步潤滑模式

鋼軌軌面在干燥狀態(tài)下，其摩擦系數(shù)約為0.4[10]，在異步潤滑仿真分析中，軌面摩擦系數(shù)設(shè)置為0.4，軌側(cè)摩擦系數(shù)取值如圖5所示,鋼軌摩擦系數(shù)分布如圖3所示。在該潤滑工況下，隨著軌側(cè)摩擦系數(shù)的增加，輪軌橫向力在逐漸減小但是變化不顯著；與此同時(shí)，輪軌磨耗功與愛因斯磨耗指數(shù)則隨著軌側(cè)摩擦系數(shù)的增加而減小，但其數(shù)值變化范圍較小，磨耗功變化0.51%而愛因斯磨耗指數(shù)變化2.27%?？紤]到軌道激擾對仿真結(jié)果的影響，可以認(rèn)為在該區(qū)段軌側(cè)摩擦系數(shù)的變化對輪軌磨耗沒有顯著的影響。

綜上所述，在直線區(qū)段采用軌頂、軌側(cè)綜合摩擦控制策略對于降低輪軌磨耗并沒有顯著的作用，同時(shí)將有可能影響到牽引力的有效發(fā)揮，故在正常線路條件的直線區(qū)段不建議采用輪軌潤滑作業(yè)。

3.2.2 曲線鋼軌潤滑方式研究

曲線區(qū)段選取線路參數(shù)：圓曲線半徑R=400 m,緩和曲線長度Ls=70 m,曲線超高為120 mm，全線長度為645 m,軌底坡為1∶40，曲線通過速度為80 km/h，欠超高量為68 mm,在該線路50～500 m處添加美國五級軌道不平順譜。

(1) 同步潤滑模式

首先對輪軌接觸面采用同步潤滑模式，輪軌摩擦系數(shù)工況設(shè)置如圖6所示，結(jié)果表明：隨著輪軌摩擦系數(shù)的增大，輪對沖角和輪軌橫向力隨之減??；愛因斯磨耗指數(shù)和磨耗功則隨之增大；輪重減載率和脫軌系數(shù)無明顯變化，其數(shù)值基本保持穩(wěn)定水平。

圖5 直線區(qū)段不同軌側(cè)摩擦系數(shù)下的評定指標(biāo)(軌頂μ=0.4)

在該潤滑模式下，各工況輪重減載率指標(biāo)和脫軌系數(shù)指標(biāo)均滿足GB 5599-1985中要求的限界值，但標(biāo)準(zhǔn)中并未考慮到摩擦系數(shù)對脫軌系數(shù)和輪重減載率臨界值的影響，需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

由Nadal公式(式1)可知脫軌系數(shù)限值隨輪軌摩擦系數(shù)的變化而變，圖7是當(dāng)輪緣角為68°時(shí)脫軌系數(shù)臨界值隨著摩擦系數(shù)的變化趨勢，顯然該潤滑模式下各工況均滿足脫軌安全性要求。

輪重減載率限值也與摩擦系數(shù)有關(guān)，其限值如表2所示，根據(jù)該限值與各工況下減載率值對比可知，該潤滑模式下輪重減載率符合安全要求。

圖6 R=400 m曲線區(qū)段不同摩擦系

圖7 脫軌系數(shù)臨界值與摩擦系數(shù)的關(guān)系

α0.200.250.300.3568°0.750.680.610.5369°0.760.690.620.5570°0.770.700.630.56

綜合考慮輪對沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數(shù)、輪軌摩擦功率對輪軌實(shí)際磨耗的影響，以及黏著牽引力的有效發(fā)揮，建議若在曲線上采用同步潤滑模式時(shí)，摩擦系數(shù)控制在0.3～0.4之間為宜。

(2) 異步潤滑模式

異步潤滑仿真對比分析中，鋼軌軌頂摩擦系數(shù)分別取0.4(軌頂不潤滑)和0.3，軌側(cè)摩擦系數(shù)從0.05以0.05為步長變化至0.5，摩擦系數(shù)工況設(shè)置如圖8和圖9所示。

①軌頂不潤滑、軌側(cè)潤滑模式(軌頂摩擦系數(shù)μT=0.4)

在軌頂不潤滑、軌側(cè)潤滑的異步潤滑仿真分析中，由圖8分析可知：隨著軌側(cè)摩擦系數(shù)的增大，輪對沖角、輪軌橫向力隨之減小，而輪軌摩擦功率和愛因斯磨耗指數(shù)隨之增加，輪重減載率基本保持在0.28～0.31的范圍內(nèi)，脫軌系數(shù)則隨著軌側(cè)摩擦系數(shù)的增大而減小，而在同步潤滑模式中脫軌系數(shù)則無明顯的變化趨勢。而各工況輪重減載率指標(biāo)和脫軌系數(shù)指標(biāo)均滿足GB 5599-1985中的要求，即采用該潤滑模式時(shí)運(yùn)行安全性滿足規(guī)范要求。

由于軌面不采取任何潤滑措施即μT=0.4使得軌側(cè)潤滑對牽引力的發(fā)揮沒有負(fù)面影響，綜合考慮各指標(biāo)對輪軌實(shí)際磨耗的影響，建議在采用僅軌側(cè)潤滑的模式下，軌側(cè)摩擦系數(shù)取0.15～0.25之間。

②軌頂、軌側(cè)異步潤滑模式(軌頂摩擦系數(shù)μT=0.3)

圖8 R=400 m曲線區(qū)段不同摩擦系數(shù)條件下的評定指標(biāo)(μT=0.4)

在本組仿真試驗(yàn)中軌頂摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，軌側(cè)摩擦系數(shù)取值與軌頂不潤滑、軌側(cè)潤滑模式相同。由圖9分析可知，當(dāng)軌頂摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，隨著軌側(cè)摩擦系數(shù)的增大，各指標(biāo)變化規(guī)律與軌頂不潤滑、軌側(cè)潤滑模式得出的規(guī)律一致。

圖9 R=400 m曲線區(qū)段不同摩擦系數(shù)條件下的評定指標(biāo)(μT=0.3)

綜合考慮沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數(shù)、輪軌摩擦功率對輪軌實(shí)際磨耗的影響，建議在軌頂、軌側(cè)異步潤滑的模式下，軌側(cè)摩擦系數(shù)取值在0.05～0.20之間為宜。

3.2.3 仿真結(jié)果對比分析

為確定曲線上的輪軌最佳潤滑模式，將同步潤滑模式和異步潤滑模式典型工況列于表3中。在同步潤滑工況下，當(dāng)摩擦系數(shù)從0.4降低至0.3時(shí)輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數(shù)均降低了5.73% ，而輪對沖角增大13.08%，輪軌橫向力增大9.86%，降低輪軌磨耗效果不明顯；在同步潤滑與異步潤滑對比分析時(shí)，當(dāng)異步潤滑模式下軌側(cè)摩擦系數(shù)為0.25時(shí)，其輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數(shù)與同步潤滑模式相比分別降低了1.16%和1.17%，而輪對沖角增大17.76%，輪軌橫向力增大6.34%，減磨效果不顯著；在異步潤滑兩種工況的對比分析中發(fā)現(xiàn)，軌頂、軌側(cè)異步潤滑模式(μT=0.3，μS=0.25)與軌頂不潤滑、軌側(cè)潤滑模式(μT=0.4，μS=0.25)相比，輪軌磨耗功和愛因斯磨耗指數(shù)分別降低了13.51%和13.52%，而輪對沖角增大21.27%，輪軌橫向力增大10.42%，減磨效果明顯。

綜上所述，在曲線區(qū)段采用同步潤滑模式時(shí)，通過降低輪軌摩擦系數(shù)的方式來降低輪軌磨耗的效果并不顯著，不建議在曲線區(qū)段采用軌頂、軌側(cè)同步潤滑模式，這一結(jié)論與直線區(qū)段得出的結(jié)論一致；由異步潤滑兩種模式仿真結(jié)果的對比可以發(fā)現(xiàn)，軌頂、軌側(cè)適當(dāng)配比的異步潤滑具有較好的輪軌減磨效果。

表3 R=400 m曲線區(qū)段不同潤滑模式下的輪軌磨耗對比

4 結(jié) 論

(1) 在直線區(qū)段輪軌潤滑對于降低輪軌磨耗沒有顯著的作用，同時(shí)將有可能影響?zhàn)ぶ鵂恳Φ挠行Оl(fā)揮，故在正常線路條件的直線區(qū)段不建議采用輪軌潤滑作業(yè)。

(2) 在曲線區(qū)段，采用同步潤滑模式時(shí)通過降低輪軌摩擦系數(shù)的方法來降低輪軌磨耗的效果并不顯著，不建議在曲線區(qū)段采用軌頂、軌側(cè)同步潤滑模式；考慮到輪對沖角、輪軌橫向力、愛因斯磨耗系數(shù)、輪軌摩擦功率對輪軌實(shí)際磨耗的影響，同時(shí)保證有效地發(fā)揮黏著力，在異步潤滑的模式下，當(dāng)軌頂摩擦系數(shù)取0.3時(shí)，軌側(cè)摩擦系數(shù)取值在0.05～0.20之間較為合理。綜合比較而言，軌頂、軌側(cè)適當(dāng)配比的異步潤滑模式具有較好的輪軌減磨效果。

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Research on the Influnence of Comprehensive Friction Controlon to Wheel-rail Wear

LILei,LIFu,DINGJunjun,LIANGJunyu

(School of Mechanical Engineering , Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031 Sichuan, China)

Reducing wheel-rail wear is the effective way to improve the life of the wheel-rail and reduce operating costs, at the same time, wheel-rail friction coefficients is the significant impact element of wheel and rail wear. Setting multi-body dynamics model of C80 vehicle on the SIMPACK software, study the impact of comprehensive friction control on tread and side track about wheel-rail wear by computer simulation methods. The results showed that in the straight section wheel-rail lubrication job is not recommended, but in the curve section comprehensive friction control on both tread and side track is recommended to lubricate, Asynchronous lubrication method with properly friction coefficient ratio of tread and side track has a good effect on grinding wheel and rail.

wheel-rail wear; friction control; wheel-rail lubrication

1008-7842 (2015) 06-0001-06

*國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51305359)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2013M542291);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2682014BR020)

男，碩士研究生(

2015-04-28)

U211.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.06.01